燃煤可凝結顆粒物中汞：特性剖析與協(xié)同控制策略探究一、引言1.1研究背景與意義煤炭作為重要的能源資源，在全球能源結構中占據(jù)著關鍵地位。尤其在一些發(fā)展中國家，燃煤發(fā)電是主要的電力供應方式。然而，煤炭燃燒過程中會產(chǎn)生大量污染物，其中燃煤可凝結顆粒物（CondensableParticulateMatter，CPM）中汞的排放問題備受關注。汞是一種具有高毒性、持久性、易遷移性和生物累積性的重金屬元素。自然界中汞有三種價態(tài)，分別為零階汞（Hg0）、一價汞（Hg+）和二價汞（Hg2+），其中零階汞易揮發(fā)，且難溶于水，是大氣環(huán)境中相對比較穩(wěn)定的形態(tài)，在大氣中的停留時間很長，平均可達1年左右，可以在大氣中被長距離地輸運而形成大范圍的汞污染。相關研究表明，化石燃料燃燒所排放出的汞約占人類活動排放出汞的70-85%。煤炭中普遍含有一定量的汞，在燃燒過程中，大部分汞會揮發(fā)進入煙氣，并隨煙氣排放到大氣環(huán)境中。全球煤炭消耗量巨大，汞經(jīng)由燃煤過程的遷移、轉(zhuǎn)化已成為它在生物圈內(nèi)循環(huán)的一個重要途徑。我國是煤炭消費大國，2010年我國原煤消耗31.8億t，是2000年的2.41倍，其中電煤消耗18億t，煤炭利用過程中，會有大量的汞被釋放到大氣中。據(jù)估算，2005年中國汞排放量為825.2t，占全球總排放量的42.85%，其中電力和熱力行業(yè)化石燃料燃煤排放汞387.4t。燃煤可凝結顆粒物中汞的排放對環(huán)境和人類健康造成了嚴重危害。在環(huán)境方面，大氣中的汞會通過干濕沉降等方式進入土壤和水體，導致土壤和水體汞污染。土壤中的汞會影響土壤微生物的活性和土壤生態(tài)系統(tǒng)的功能，進而影響植物的生長和發(fā)育。水體中的汞會在水生生物體內(nèi)富集，通過食物鏈的傳遞，對整個水生生態(tài)系統(tǒng)造成破壞。例如，在一些汞污染嚴重的水域，魚類體內(nèi)汞含量超標，導致魚類死亡或無法食用，破壞了水生生物的多樣性。在人類健康方面，汞及其化合物可以通過呼吸道、皮膚接觸和食物鏈等途徑進入人體，對人體的神經(jīng)系統(tǒng)、免疫系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)等造成損害。尤其是甲基汞，它具有很強的神經(jīng)毒性，能導致水俁病等嚴重疾病，影響人類的智力發(fā)育和身體健康。孕婦和兒童對汞的毒性更為敏感，即使是低劑量的汞暴露也可能對胎兒和兒童的神經(jīng)系統(tǒng)發(fā)育產(chǎn)生不可逆的影響。目前，針對燃煤過程中汞的排放控制，雖然已經(jīng)有一些研究和技術應用，但對于可凝結顆粒物中汞的特性及協(xié)同控制策略的研究還相對較少?？赡Y顆粒物具有特殊的形成機理和物理化學性質(zhì)，其中汞的存在形態(tài)、分布規(guī)律以及與顆粒物的相互作用等方面都有其獨特之處。深入研究這些特性，對于準確評估汞的環(huán)境風險和制定有效的控制策略具有重要意義。同時，現(xiàn)有的污染控制設備在協(xié)同脫除可凝結顆粒物中汞方面的效果還不盡人意，需要進一步探索協(xié)同控制策略，提高汞的脫除效率。因此，開展燃煤可凝結顆粒物中汞的特性及協(xié)同控制策略研究具有重要的現(xiàn)實意義，不僅有助于減少汞的排放，降低其對環(huán)境和人類健康的危害，還能為燃煤電廠等行業(yè)的污染控制提供科學依據(jù)和技術支持，促進煤炭的清潔高效利用。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在燃煤可凝結顆粒物（CPM）的研究方面，國外起步相對較早。早在20世紀70年代，美國等發(fā)達國家就開始關注CPM的排放問題，并開展了相關研究。他們對CPM的形成機理進行了深入探索，發(fā)現(xiàn)CPM主要是在煙氣冷卻過程中，由氣態(tài)的硫酸、硝酸、有機物等蒸汽凝結而成。同時，國外也在不斷改進CPM的采樣方法，如美國環(huán)保署（EPA）推薦的EPAMethod202和EPAMethod201A等方法，這些方法在國際上得到了廣泛應用，為準確測量CPM的排放濃度和粒徑分布提供了技術支持。在國內(nèi)，隨著環(huán)保要求的日益嚴格，對CPM的研究也逐漸增多。研究人員通過理論分析和實驗研究，對CPM的形成機理有了更深入的認識。例如，有研究表明，燃煤過程中煤的揮發(fā)分含量、燃燒溫度、煙氣中的水分和氧氣含量等因素都會影響CPM的形成。在采樣方法研究方面，國內(nèi)學者在借鑒國外先進方法的基礎上，結合國內(nèi)實際情況，對采樣裝置進行了改進和優(yōu)化，提高了采樣的準確性和可靠性。對于燃煤過程中汞的排放特性，國內(nèi)外學者都進行了大量研究。國外研究發(fā)現(xiàn)，煤中汞的賦存形態(tài)對其在燃燒過程中的遷移轉(zhuǎn)化有重要影響，以硫化物形式存在的汞在燃燒過程中更容易揮發(fā)進入煙氣。同時，煙氣中的化學成分如氧氣、氯化氫、二氧化硫等會與汞發(fā)生化學反應，影響汞的形態(tài)分布。國內(nèi)研究也表明，不同煤種的汞含量和賦存形態(tài)差異較大，這導致燃煤煙氣中汞的排放特性也有所不同。此外，燃燒條件如溫度、停留時間等也會對汞的排放產(chǎn)生影響。在汞的控制技術方面，國外已經(jīng)開發(fā)出多種有效的方法?；钚蕴课椒ㄊ且环N常用的脫汞技術，通過向煙氣中噴射活性炭，利用活性炭的吸附作用脫除汞。研究表明，活性炭的比表面積、孔隙結構和表面化學性質(zhì)等因素會影響其對汞的吸附性能。此外，國外還研究了利用現(xiàn)有污染控制設備協(xié)同脫汞的技術，如在濕法脫硫系統(tǒng)中添加特定的添加劑，提高對汞的脫除效率。國內(nèi)在汞控制技術方面也取得了一定進展，除了對活性炭吸附等傳統(tǒng)技術進行優(yōu)化外，還開展了一些新型脫汞技術的研究，如利用低溫等離子體技術脫汞，通過等離子體的活性粒子與汞發(fā)生反應，將汞轉(zhuǎn)化為易于脫除的形態(tài)。然而，當前對于燃煤可凝結顆粒物中汞的特性及協(xié)同控制策略的研究仍存在一些不足。在特性研究方面，雖然對CPM和汞的單獨特性研究較多，但對于可凝結顆粒物中汞的存在形態(tài)、分布規(guī)律以及與顆粒物的相互作用等方面的研究還不夠深入，缺乏系統(tǒng)的認識。在協(xié)同控制策略方面，現(xiàn)有的污染控制設備在協(xié)同脫除可凝結顆粒物中汞時，存在脫汞效率不穩(wěn)定、運行成本高等問題，且不同控制技術之間的協(xié)同機制研究較少，難以實現(xiàn)多種污染物的高效協(xié)同脫除。未來，該領域的研究可以朝著以下方向發(fā)展。在特性研究方面，進一步深入探究可凝結顆粒物中汞的微觀結構和化學組成，以及汞在可凝結顆粒物形成和演化過程中的作用機制，為協(xié)同控制提供更堅實的理論基礎。在協(xié)同控制策略方面，研發(fā)新型的協(xié)同控制技術和設備，優(yōu)化現(xiàn)有污染控制設備的運行參數(shù)，提高其協(xié)同脫汞效率，降低運行成本。同時，加強不同控制技術之間的協(xié)同作用研究，實現(xiàn)多種污染物的一體化高效脫除，為燃煤行業(yè)的清潔生產(chǎn)和可持續(xù)發(fā)展提供技術支持。1.3研究內(nèi)容與方法1.3.1研究內(nèi)容本文針對燃煤可凝結顆粒物中汞的特性及協(xié)同控制策略展開研究，具體內(nèi)容如下：燃煤可凝結顆粒物中汞的特性研究汞的賦存形態(tài)分析：通過先進的分析測試技術，如X射線光電子能譜（XPS）、掃描電鏡-能譜儀（SEM-EDS）等，深入研究燃煤可凝結顆粒物中汞的存在形態(tài)，包括單質(zhì)汞、氧化汞、氯化汞等化合物形態(tài)，以及汞與顆粒物中其他元素的結合方式。汞在可凝結顆粒物中的分布規(guī)律：采用分級采樣技術，對不同粒徑范圍的可凝結顆粒物進行采集，分析汞在不同粒徑顆粒物中的含量分布，探究汞的分布與顆粒物粒徑、化學組成之間的關系。同時，研究不同工況條件下，如不同煤種、燃燒溫度、煙氣成分等，汞在可凝結顆粒物中分布規(guī)律的變化。汞與可凝結顆粒物的相互作用機制：利用量子化學計算、分子動力學模擬等理論方法，結合實驗研究，深入探討汞與可凝結顆粒物之間的物理吸附和化學吸附作用機制，以及汞在顆粒物表面的化學反應過程，揭示汞在可凝結顆粒物形成和演化過程中的作用?，F(xiàn)有污染控制設備對可凝結顆粒物中汞的協(xié)同脫除效果研究靜電除塵器（ESP）協(xié)同脫汞效果：通過現(xiàn)場測試和實驗室模擬，研究ESP在不同運行參數(shù)下，如電場強度、煙氣流量、粉塵濃度等，對可凝結顆粒物中汞的脫除效率。分析ESP中顆粒物的荷電特性、遷移規(guī)律以及汞在顆粒物表面的吸附特性對脫汞效果的影響。袋式除塵器（FF）協(xié)同脫汞效果：考察FF的濾料特性、過濾風速、清灰方式等因素對可凝結顆粒物中汞的脫除性能的影響。研究汞在濾袋表面的吸附、擴散和穿透行為，以及濾袋上的粉塵層對汞脫除的作用機制。濕法脫硫系統(tǒng)（WFGD）協(xié)同脫汞效果：分析WFGD中吸收劑種類、吸收液pH值、液氣比、煙氣停留時間等運行參數(shù)對可凝結顆粒物中汞的脫除效率的影響。研究汞在脫硫過程中的化學反應機理，以及汞在脫硫產(chǎn)物中的賦存形態(tài)和穩(wěn)定性。協(xié)同控制策略研究基于現(xiàn)有設備優(yōu)化的協(xié)同控制策略：根據(jù)現(xiàn)有污染控制設備對可凝結顆粒物中汞的協(xié)同脫除效果研究結果，提出優(yōu)化設備運行參數(shù)的協(xié)同控制策略。例如，調(diào)整ESP的電場強度和煙氣流量，優(yōu)化FF的過濾風速和清灰周期，優(yōu)化WFGD的吸收劑用量和運行條件等，以提高現(xiàn)有設備對可凝結顆粒物中汞的協(xié)同脫除效率。新型協(xié)同控制技術的探索：探索新型的協(xié)同控制技術，如在煙氣中添加特定的化學添加劑，促進汞的氧化和凝結，提高其在現(xiàn)有污染控制設備中的脫除效率；研究利用低溫等離子體技術、光催化技術等與現(xiàn)有污染控制設備相結合的協(xié)同脫汞方法，實現(xiàn)多種污染物的一體化高效脫除。協(xié)同控制策略的經(jīng)濟性和環(huán)境影響評估：對提出的協(xié)同控制策略進行經(jīng)濟性評估，包括設備改造費用、運行成本、藥劑費用等方面的分析。同時，評估協(xié)同控制策略對環(huán)境的影響，如對脫硫產(chǎn)物、除塵灰等固體廢物的影響，以及對水體和土壤環(huán)境的潛在影響，確保協(xié)同控制策略的可行性和可持續(xù)性。1.3.2研究方法為實現(xiàn)上述研究內(nèi)容，本研究將綜合采用實驗研究、理論分析和數(shù)值模擬等多種研究方法：實驗研究樣品采集：選取具有代表性的燃煤電廠，在不同工況下采集燃煤煙氣中的可凝結顆粒物樣品。采用美國環(huán)保署推薦的EPAMethod202和EPAMethod201A等標準采樣方法，確保樣品的準確性和可靠性。同時，采集煤樣、飛灰樣等相關樣品，用于分析煤中汞的含量、賦存形態(tài)以及飛灰的化學組成等。實驗分析：利用先進的分析測試儀器，對采集的樣品進行全面分析。采用冷原子吸收光譜法（CVAAS）、原子熒光光譜法（AFS）等方法測定樣品中汞的含量；運用XPS、SEM-EDS等技術分析汞的賦存形態(tài)和顆粒物的微觀結構；使用氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀（GC-MS）等儀器分析可凝結顆粒物中的有機物成分。通過實驗室模擬實驗，研究不同因素對汞在可凝結顆粒物中的特性及協(xié)同脫除效果的影響。例如，搭建小型燃燒實驗臺，模擬不同的燃燒條件，研究煤燃燒過程中汞的釋放和遷移規(guī)律；利用固定床反應器，研究化學添加劑對汞氧化和脫除的影響。理論分析熱力學分析：運用熱力學原理，對汞在燃煤過程中的化學反應進行熱力學計算，分析汞的各種形態(tài)之間的轉(zhuǎn)化平衡關系，以及溫度、壓力、煙氣成分等因素對汞化學反應的影響，為實驗研究提供理論指導。動力學分析：通過建立汞在可凝結顆粒物中的吸附、反應動力學模型，研究汞與顆粒物之間的相互作用過程和反應速率，深入理解汞的遷移轉(zhuǎn)化機制。數(shù)值模擬利用CFD軟件模擬：采用計算流體力學（CFD）軟件，如Fluent、ANSYS等，對燃煤電廠中污染控制設備內(nèi)的流場、溫度場、濃度場進行數(shù)值模擬。結合汞的遷移轉(zhuǎn)化模型，模擬汞在設備內(nèi)的運動軌跡和脫除過程，分析設備運行參數(shù)對汞脫除效率的影響，為設備的優(yōu)化設計和運行提供理論依據(jù)。多物理場耦合模擬：考慮到實際工況中多種物理現(xiàn)象的相互作用，如傳熱、傳質(zhì)、化學反應等，開展多物理場耦合模擬研究。通過建立耦合模型，更加準確地模擬汞在可凝結顆粒物中的特性及協(xié)同控制過程，預測不同控制策略下的汞脫除效果。二、燃煤可凝結顆粒物中汞的特性2.1汞的存在形態(tài)在燃煤可凝結顆粒物中，汞主要以元素態(tài)汞（Hg0）、氧化態(tài)汞（如HgO、HgCl2等）和顆粒態(tài)汞這三種形態(tài)存在。不同形態(tài)的汞在物理化學性質(zhì)、生成機制、與顆粒物的相互作用以及環(huán)境影響等方面都存在差異，深入研究這些特性對于了解汞在燃煤過程中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律以及制定有效的控制策略至關重要。2.1.1元素態(tài)汞元素態(tài)汞（Hg0），又稱單質(zhì)汞，在燃煤可凝結顆粒物中通常占有一定比例，其占比會受到多種因素的影響，如煤種、燃燒條件以及煙氣成分等。一般來說，在燃燒過程中，煤中部分汞會以元素態(tài)汞的形式揮發(fā)進入煙氣，進而存在于可凝結顆粒物中，其占比大致在10%-50%之間。元素態(tài)汞具有獨特的物理化學性質(zhì)。它是一種銀白色的液態(tài)金屬，在常溫下具有較高的蒸氣壓，揮發(fā)性強，這使得它在大氣中能夠以氣態(tài)形式存在較長時間，并且能夠在大氣中長距離傳輸，從而擴大了汞的污染范圍。同時，元素態(tài)汞具有化學惰性，在大氣中相對穩(wěn)定，不易與其他物質(zhì)發(fā)生化學反應，這也增加了其在環(huán)境中的持久性和潛在危害。從環(huán)境影響角度來看，元素態(tài)汞的高揮發(fā)性和長距離傳輸特性使其能夠在全球范圍內(nèi)擴散。它可以通過大氣環(huán)流被輸送到遠離排放源的地區(qū)，甚至跨越國界，對全球生態(tài)環(huán)境造成威脅。由于其化學惰性，在大氣中難以被自然降解或去除，逐漸在大氣中積累。一旦元素態(tài)汞通過干濕沉降等方式進入土壤和水體，會在環(huán)境中發(fā)生一系列的轉(zhuǎn)化過程，如在微生物的作用下，部分元素態(tài)汞可以轉(zhuǎn)化為毒性更強的甲基汞，甲基汞具有很強的脂溶性，能夠在生物體內(nèi)富集，通過食物鏈的傳遞，對人類和其他生物的健康產(chǎn)生嚴重危害。例如，在一些汞污染嚴重的地區(qū)，魚類等水生生物體內(nèi)甲基汞含量超標，人類食用這些受污染的魚類后，可能會導致神經(jīng)系統(tǒng)損傷、智力發(fā)育障礙等健康問題。2.1.2氧化態(tài)汞氧化態(tài)汞在燃煤可凝結顆粒物中存在多種常見的化合物形式，其中氯化汞（HgCl2）是較為典型的一種。在燃燒過程中，煤中的氯元素與汞發(fā)生反應，容易生成氯化汞。此外，氧化汞（HgO）也是一種常見的氧化態(tài)汞化合物。當煙氣中存在氧氣、二氧化硫等氧化劑時，會促進元素態(tài)汞向氧化汞的轉(zhuǎn)化。例如，在高溫條件下，元素態(tài)汞與氧氣發(fā)生反應：2Hg^0+O_2\stackrel{高溫}{=\!=\!=}2HgO。氧化態(tài)汞的生成機制較為復雜，除了上述的化學反應途徑外，還與燃燒溫度、煙氣中的化學成分以及停留時間等因素密切相關。在燃燒溫度較高時，汞的揮發(fā)速率加快，與其他物質(zhì)發(fā)生反應的幾率增加，有利于氧化態(tài)汞的生成。煙氣中的氯化氫（HCl）含量對氯化汞的生成起著關鍵作用，HCl與汞發(fā)生反應，生成氯化汞：Hg^0+2HCl+\frac{1}{2}O_2\stackrel{高溫}{=\!=\!=}HgCl_2+H_2O。在顆粒物中，氧化態(tài)汞的穩(wěn)定性相對元素態(tài)汞有所不同。以氯化汞為例，它具有較高的水溶性，在一定程度上能夠溶解在顆粒物表面的水膜中，這使得它在大氣中的遷移轉(zhuǎn)化過程與元素態(tài)汞有所差異。當遇到降雨等天氣條件時，溶解在水膜中的氯化汞容易隨著雨水降落到地面，從而進入土壤和水體環(huán)境。而氧化汞的穩(wěn)定性則相對較高，在顆粒物中不易發(fā)生分解或轉(zhuǎn)化，但在特定的環(huán)境條件下，如在酸性介質(zhì)中，氧化汞可能會與酸發(fā)生反應，導致其形態(tài)發(fā)生變化。2.1.3顆粒態(tài)汞顆粒態(tài)汞是指與顆粒物結合在一起的汞形態(tài)。它與顆粒物的結合方式主要有物理吸附和化學吸附兩種。物理吸附是基于分子間的范德華力，汞分子或原子附著在顆粒物表面；化學吸附則是汞與顆粒物表面的某些活性位點發(fā)生化學反應，形成化學鍵，從而牢固地結合在一起。例如，顆粒物表面的金屬氧化物（如氧化鐵、氧化鋁等）可以與汞發(fā)生化學反應，形成金屬汞化合物，使汞以化學吸附的方式固定在顆粒物表面。顆粒態(tài)汞在不同粒徑的顆粒物中分布存在差異。研究表明，細顆粒物（如粒徑小于1μm的顆粒物）中顆粒態(tài)汞的含量相對較高。這是因為細顆粒物具有較大的比表面積，能夠提供更多的吸附位點，有利于汞的吸附和富集。同時，細顆粒物在大氣中的停留時間較長，更容易與汞發(fā)生相互作用。在燃煤可凝結顆粒物中，粒徑較小的顆粒物往往含有更多的重金屬元素和有機物質(zhì)，這些成分可能會與汞發(fā)生化學反應，進一步促進顆粒態(tài)汞的形成和穩(wěn)定。顆粒態(tài)汞對汞排放有著重要影響。由于其與顆粒物緊密結合，在大氣中的傳輸距離相對較短，主要通過干沉降和濕沉降的方式從大氣中去除。然而，一旦這些含有顆粒態(tài)汞的顆粒物進入環(huán)境，如土壤和水體，會對當?shù)氐纳鷳B(tài)環(huán)境造成污染。在土壤中，顆粒態(tài)汞可能會影響土壤微生物的活性和土壤生態(tài)系統(tǒng)的平衡，進而影響植物的生長和發(fā)育。在水體中，顆粒態(tài)汞會隨著顆粒物的沉降進入水底沉積物，在一定條件下，可能會再次釋放到水體中，對水生生物造成危害。此外，在燃煤電廠的污染控制過程中，顆粒態(tài)汞的去除效率與顆粒物的去除效率密切相關。如果能夠有效去除顆粒物，就可以在一定程度上降低顆粒態(tài)汞的排放，因此，提高除塵設備對細顆粒物的脫除效率對于減少顆粒態(tài)汞的排放具有重要意義。2.2汞的分布特征2.2.1不同粒徑顆粒物中汞的分布汞在不同粒徑可凝結顆粒物中的濃度呈現(xiàn)出明顯的差異。通過對大量實驗數(shù)據(jù)的分析，研究發(fā)現(xiàn)，在粒徑較小的可凝結顆粒物中，汞的濃度相對較高。例如，在某燃煤電廠的實驗研究中，對粒徑小于1μm的可凝結顆粒物進行檢測，發(fā)現(xiàn)汞的濃度達到了[X1]μg/m3，而在粒徑大于1μm的顆粒物中，汞的濃度僅為[X2]μg/m3。這是因為細顆粒物具有較大的比表面積，能夠提供更多的吸附位點，有利于汞的吸附和富集。同時，細顆粒物在大氣中的停留時間較長，更容易與汞發(fā)生相互作用，從而導致汞在細顆粒物中的濃度相對較高。汞在不同粒徑可凝結顆粒物中的分布規(guī)律也呈現(xiàn)出一定的特點。一般來說，隨著顆粒物粒徑的增大，汞的含量逐漸降低。這種分布規(guī)律與顆粒物的形成過程和性質(zhì)密切相關。在燃煤過程中，可凝結顆粒物的形成是一個復雜的物理化學過程，細顆粒物通常是由氣態(tài)物質(zhì)通過成核、凝結等過程形成的，而在這個過程中，汞更容易參與其中，與細顆粒物結合在一起。而大顆粒物則主要是通過機械破碎等方式形成的，其與汞的結合機會相對較少。此外，汞在不同粒徑顆粒物中的分布還可能受到其他因素的影響，如煤種、燃燒條件等。不同煤種中汞的含量和賦存形態(tài)不同，這會導致在燃燒過程中汞的釋放和分布情況也有所差異。例如，高硫煤在燃燒過程中會產(chǎn)生更多的二氧化硫等氣體，這些氣體可能會與汞發(fā)生化學反應，影響汞在顆粒物中的分布。燃燒條件如溫度、氧氣含量等也會對汞的分布產(chǎn)生影響。在高溫條件下，汞的揮發(fā)速率加快，可能會導致更多的汞進入到粒徑較小的顆粒物中。2.2.2不同工況下汞的分布燃燒溫度對汞在可凝結顆粒物中的分布有著顯著影響。當燃燒溫度升高時，汞的揮發(fā)速率加快，更多的汞會以氣態(tài)形式進入煙氣。在高溫下，汞更容易與其他氣態(tài)物質(zhì)發(fā)生反應，形成氧化態(tài)汞或其他化合物，這些化合物在煙氣冷卻過程中更容易凝結在粒徑較小的顆粒物上。例如，在一項實驗研究中，當燃燒溫度從[溫度1]升高到[溫度2]時，粒徑小于1μm的可凝結顆粒物中汞的含量增加了[X3]%，而粒徑大于1μm的顆粒物中汞的含量則有所下降。這表明隨著燃燒溫度的升高，汞更傾向于分布在細顆粒物中。煤種的差異也會導致汞在可凝結顆粒物中的分布不同。不同煤種的汞含量、礦物質(zhì)組成和揮發(fā)分含量等存在差異，這些因素都會影響汞在燃燒過程中的遷移轉(zhuǎn)化和分布。例如，高汞煤燃燒時會釋放出更多的汞，這些汞在可凝結顆粒物中的含量相對較高。同時，煤中的礦物質(zhì)如黃鐵礦等，在燃燒過程中可能會與汞發(fā)生化學反應，影響汞的形態(tài)和分布。研究發(fā)現(xiàn)，含黃鐵礦較多的煤種，燃燒后生成的可凝結顆粒物中氧化態(tài)汞的含量相對較高。空氣過量系數(shù)也是影響汞分布的重要工況因素。當空氣過量系數(shù)較低時，燃燒過程處于缺氧狀態(tài)，這會導致不完全燃燒產(chǎn)物的增加，同時也會影響汞的氧化和分布。在缺氧條件下，汞更傾向于以元素態(tài)汞的形式存在，而元素態(tài)汞在煙氣中的擴散能力較強，可能會分布在不同粒徑的顆粒物中。當空氣過量系數(shù)增加時，氧氣充足，燃燒更加充分，有利于汞的氧化，使得氧化態(tài)汞的含量增加，這些氧化態(tài)汞更容易被粒徑較小的顆粒物吸附，從而導致汞在細顆粒物中的分布增加。例如，在某實驗中，當空氣過量系數(shù)從[系數(shù)1]增加到[系數(shù)2]時，粒徑小于1μm的可凝結顆粒物中汞的含量增加了[X4]%，而粒徑大于1μm的顆粒物中汞的含量則略有下降。2.3影響汞特性的因素2.3.1煤質(zhì)特性煤中汞含量直接決定了燃煤過程中汞的初始釋放量。不同煤種的汞含量差異顯著，這與煤的形成地質(zhì)條件、沉積環(huán)境等因素密切相關。例如，我國貴州地區(qū)的部分煤種，由于其特殊的地質(zhì)構造和沉積環(huán)境，煤中汞含量相對較高，可達1.0-2.0mg/kg，而一些常規(guī)煤種的汞含量則在0.1-0.5mg/kg左右。當高汞煤燃燒時，大量汞會揮發(fā)進入煙氣，進而增加了可凝結顆粒物中汞的含量。煤中汞含量的高低還會影響汞在可凝結顆粒物中的存在形態(tài)和分布。較高的汞含量可能導致更多的汞以元素態(tài)汞的形式存在于可凝結顆粒物中，因為在燃燒過程中，部分汞來不及與其他物質(zhì)發(fā)生反應就揮發(fā)進入煙氣。煤中的灰分主要由礦物質(zhì)組成，其含量和成分對汞的特性有重要影響。一方面，灰分中的礦物質(zhì)如硅鋁酸鹽、鐵氧化物等可以提供吸附位點，促進汞在可凝結顆粒物上的吸附。研究表明，灰分中硅鋁酸鹽的含量與汞在可凝結顆粒物中的吸附量呈正相關關系，硅鋁酸鹽的比表面積較大，能夠通過物理吸附作用將汞固定在顆粒物表面。另一方面，礦物質(zhì)在燃燒過程中發(fā)生的化學反應也會影響汞的形態(tài)轉(zhuǎn)化。例如，鐵氧化物在高溫下可以作為催化劑，促進元素態(tài)汞向氧化態(tài)汞的轉(zhuǎn)化。當煤中含有較多的鐵氧化物時，可凝結顆粒物中氧化態(tài)汞的比例會相應增加。然而，如果灰分含量過高，可能會導致燃燒過程中顆粒物的生成量增加，稀釋了汞在可凝結顆粒物中的濃度，從而影響汞的排放特性。硫分是煤中的重要組成部分，對汞的特性有著多方面的影響。在燃燒過程中，硫分燃燒生成二氧化硫（SO?）等含硫氣體。SO?可以與汞發(fā)生化學反應，抑制汞的氧化。其反應機理為：SO?與煙氣中的氧化性物質(zhì)（如羥基自由基?OH）發(fā)生反應，消耗了氧化性物質(zhì)，從而減少了汞被氧化的機會，使得更多的汞以元素態(tài)汞的形式存在于可凝結顆粒物中。此外，SO?還可以與其他物質(zhì)反應生成硫酸鹽等化合物，這些化合物可能會改變可凝結顆粒物的表面性質(zhì)，影響汞的吸附和脫附。例如，硫酸鹽的存在可能會降低顆粒物表面的活性位點，減少汞的吸附量。然而，在一定條件下，硫分也可能促進汞的脫除。當煙氣中存在適量的氯化氫（HCl）時，硫分可以與HCl協(xié)同作用，促進汞的氧化和脫除。煤中的氯含量對汞的特性有著關鍵影響。氯元素在燃燒過程中會以氯化氫（HCl）等形式釋放到煙氣中。HCl可以與汞發(fā)生反應，生成揮發(fā)性較低的氯化汞（HgCl?），從而促進汞的氧化和凝結。其反應方程式為：Hg^0+2HCl+\frac{1}{2}O_2\stackrel{高溫}{=\!=\!=}HgCl_2+H_2O。氯化汞具有較高的水溶性，更容易被可凝結顆粒物吸附，從而改變汞在可凝結顆粒物中的存在形態(tài)和分布。研究發(fā)現(xiàn)，當煤中氯含量增加時，可凝結顆粒物中氯化汞的含量顯著增加，汞的脫除效率也會相應提高。此外，氯元素還可以影響其他物質(zhì)對汞的吸附性能。例如，在活性炭吸附汞的過程中，煤中的氯元素可以促進活性炭表面的氯代反應，增加活性炭對汞的吸附活性位點，提高活性炭對汞的吸附能力。2.3.2燃燒條件燃燒溫度是影響汞釋放、氧化及凝結的關鍵因素。在高溫條件下，煤中汞的揮發(fā)速率加快，大量汞迅速從煤中釋放進入煙氣。隨著溫度升高，汞的氧化反應速率也會增加。例如，在800-1000℃的溫度范圍內(nèi)，元素態(tài)汞（Hg0）與氧氣（O?）發(fā)生反應生成氧化汞（HgO）的速率明顯加快。然而，過高的溫度可能會導致氧化汞的分解，使得汞重新以元素態(tài)形式存在。同時，高溫還會影響可凝結顆粒物的形成和生長，進而影響汞在顆粒物中的凝結和分布。在高溫下，可凝結顆粒物的成核速率增加，生成更多的細顆粒物，這些細顆粒物具有較大的比表面積，有利于汞的凝結和吸附。停留時間是指煤在燃燒過程中以及汞在煙氣中停留的時間。較長的停留時間有利于汞與其他物質(zhì)充分發(fā)生反應，促進汞的氧化和凝結。例如，在流化床燃燒過程中，由于煤顆粒在床內(nèi)的停留時間較長，汞有更多機會與煙氣中的氧氣、氯化氫等物質(zhì)反應，從而提高了汞的氧化程度。在靜電除塵器（ESP）等污染控制設備中，煙氣的停留時間也會影響汞的脫除效果。如果停留時間過短，汞可能來不及被顆粒物吸附或發(fā)生反應就隨煙氣排出，降低了汞的脫除效率。而適當延長停留時間，可以增加汞與顆粒物的接觸機會，提高汞在顆粒物上的吸附量，從而提高汞的脫除效率?？諝夥旨壢紵且环N常用的燃燒技術，通過合理分配燃燒空氣，形成不同的燃燒區(qū)域，如富燃料區(qū)和貧燃料區(qū)。在富燃料區(qū)，由于氧氣不足，燃燒過程處于還原性氣氛，這會抑制汞的氧化，使得更多的汞以元素態(tài)汞的形式存在。而在貧燃料區(qū)，氧氣充足，燃燒處于氧化性氣氛，有利于汞的氧化。通過優(yōu)化空氣分級比例，可以控制汞的氧化程度，從而影響汞在可凝結顆粒物中的存在形態(tài)和分布。例如，當空氣分級比例為70:30（富燃料區(qū)：貧燃料區(qū)）時，可凝結顆粒物中氧化態(tài)汞的含量相對較高，有利于后續(xù)通過濕法脫硫等設備對汞進行脫除。此外，空氣分級燃燒還可以影響燃燒過程中顆粒物的生成和性質(zhì)，間接影響汞與顆粒物的相互作用。在富燃料區(qū)，不完全燃燒產(chǎn)生的碳顆粒等物質(zhì)可能會增加顆粒物的比表面積，為汞的吸附提供更多位點。2.3.3煙氣成分氧氣是汞氧化的重要氧化劑。在煙氣中，氧氣可以與元素態(tài)汞發(fā)生反應，將其氧化為氧化態(tài)汞。其反應機理為：氧氣分子在高溫下分解為氧原子，氧原子與元素態(tài)汞發(fā)生碰撞反應，生成氧化汞。隨著煙氣中氧氣含量的增加，汞的氧化速率加快，氧化態(tài)汞的比例增加。例如，當煙氣中氧氣含量從5%增加到10%時，汞的氧化率可提高20-30%。氧化態(tài)汞具有較低的揮發(fā)性，更容易被可凝結顆粒物吸附，從而降低了汞的排放濃度。此外，氧氣還可以參與其他與汞相關的化學反應，如與含硫氣體反應生成硫酸等，這些反應可能會影響汞在可凝結顆粒物中的存在形態(tài)和穩(wěn)定性。二氧化硫（SO?）是燃煤煙氣中的主要污染物之一，對汞的形態(tài)轉(zhuǎn)化和凝結有重要影響。一方面，SO?可以與汞競爭氧化性物質(zhì)，抑制汞的氧化。如前文所述，SO?與煙氣中的羥基自由基?OH發(fā)生反應，減少了汞被氧化的機會，使得更多的汞以元素態(tài)汞的形式存在于煙氣中。另一方面，SO?在一定條件下也可能促進汞的脫除。當煙氣中存在適量的氯化氫（HCl）時，SO?可以與HCl協(xié)同作用，促進汞的氧化和脫除。此外，SO?還會影響可凝結顆粒物的性質(zhì)，如在濕法脫硫過程中，SO?被吸收后生成的亞硫酸鹽等物質(zhì)可能會改變脫硫漿液的性質(zhì)，影響汞在脫硫漿液中的溶解和脫除。氮氧化物（NOx）也是燃煤煙氣中的重要成分。一些研究表明，NOx可以與汞發(fā)生反應，影響汞的形態(tài)轉(zhuǎn)化。例如，NO可以與元素態(tài)汞發(fā)生反應，生成一種不穩(wěn)定的汞-氮氧化物絡合物，該絡合物在一定條件下可以分解，重新釋放出元素態(tài)汞或轉(zhuǎn)化為其他汞形態(tài)。在選擇性催化還原（SCR）脫硝過程中，使用的催化劑可能會對汞的氧化產(chǎn)生影響。某些催化劑可以促進汞的氧化，提高氧化態(tài)汞的比例，從而有利于汞的脫除。然而，在實際應用中，NOx對汞特性的影響較為復雜，還受到其他煙氣成分、溫度等因素的交互作用。水蒸氣是燃煤煙氣中不可避免的成分，對汞的形態(tài)轉(zhuǎn)化和凝結有重要作用。一方面，水蒸氣可以參與汞的氧化反應，提供反應所需的氫氧根離子（OH?）。在有水蒸氣存在的情況下，汞的氧化反應可以通過以下途徑進行：Hg^0+OH\cdot\rightarrowHgOH\cdot，HgOH\cdot+O_2\rightarrowHgO+HO_2\cdot。另一方面，水蒸氣在煙氣冷卻過程中會凝結成水滴，形成可凝結顆粒物的核心，促進可凝結顆粒物的形成。汞可以吸附在這些水滴表面，隨著水滴的長大和凝結，汞被包裹在可凝結顆粒物中。此外，水蒸氣還會影響煙氣的濕度，進而影響汞在可凝結顆粒物中的吸附和脫附。較高的濕度可能會導致汞在顆粒物表面的吸附量增加，但同時也可能會使已吸附的汞發(fā)生解吸，其具體影響取決于多種因素，如溫度、煙氣成分等。三、燃煤可凝結顆粒物中汞的協(xié)同控制策略3.1現(xiàn)有污染控制設施的協(xié)同脫汞作用3.1.1除塵器協(xié)同脫汞在燃煤電廠中，靜電除塵器（ESP）和布袋除塵器（FF）是常用的除塵設備，它們在去除顆粒物的同時，也對顆粒態(tài)汞具有一定的脫除能力。靜電除塵器利用高壓電場使煙氣中的顆粒物荷電，荷電后的顆粒物在電場力的作用下向集塵極移動并被收集，從而實現(xiàn)除塵的目的。對于顆粒態(tài)汞，其脫除機理主要基于顆粒物的荷電與捕集過程。當顆粒態(tài)汞附著在荷電顆粒物上時，會隨著顆粒物一起被集塵極捕獲。然而，靜電除塵器對顆粒態(tài)汞的脫除效率受到多種因素的影響。一方面，顆粒態(tài)汞大多存在于亞微米級顆粒中，而靜電除塵器對這部分粒徑范圍內(nèi)的顆粒脫除效果相對較差。研究表明，對于粒徑小于1μm的顆粒，靜電除塵器的脫除效率通常在70%-80%左右，這使得部分附著有汞的細顆粒物難以被有效去除，從而限制了對顆粒態(tài)汞的脫除效率。另一方面，煙氣中的粉塵濃度、電場強度等因素也會影響靜電除塵器的脫汞效果。當粉塵濃度過高時，會出現(xiàn)電暈閉塞現(xiàn)象，導致電場強度下降，影響顆粒物的荷電和捕集，進而降低對顆粒態(tài)汞的脫除效率。此外，煙氣中的水分、溫度等因素也會對靜電除塵器的性能產(chǎn)生影響，間接影響其脫汞效果。布袋除塵器則是通過過濾的方式去除煙氣中的顆粒物。含塵煙氣通過濾袋時，顆粒物被濾袋攔截、吸附，從而使煙氣得到凈化。由于細顆粒上往往富集了大量的汞，布袋除塵器在脫除細顆粒物的同時，對顆粒態(tài)汞也有較好的脫除效果。其脫汞效率一般可達70%-90%，高于靜電除塵器。布袋除塵器對顆粒態(tài)汞的脫除效果與濾料特性密切相關。不同材質(zhì)的濾料，其過濾效率、透氣性能和抗磨損性能等存在差異，會影響對顆粒態(tài)汞的脫除效果。例如，針刺氈濾料由于其孔隙結構合理、過濾精度高，對細顆粒物及顆粒態(tài)汞的脫除效果較好。過濾風速也是影響布袋除塵器脫汞效果的重要因素。當過濾風速過高時，煙氣在濾袋內(nèi)的停留時間縮短，顆粒物與濾袋的接觸機會減少，導致部分顆粒態(tài)汞無法被有效捕獲，從而降低脫汞效率。一般來說，適宜的過濾風速在0.8-1.2m/min之間。此外，清灰方式也會對布袋除塵器的脫汞性能產(chǎn)生影響。過于頻繁的清灰可能會導致濾袋表面的粉塵層被過度清除，減少了對顆粒態(tài)汞的吸附位點，而清灰不及時則會使濾袋阻力增大，影響除塵和脫汞效果。3.1.2脫硫裝置協(xié)同脫汞濕法脫硫裝置是目前燃煤電廠中應用最廣泛的脫硫設備，其對氧化態(tài)汞具有較好的脫除效果。濕法脫硫裝置主要采用石灰石-石膏法、海水法等工藝，通過吸收劑與煙氣中的二氧化硫反應，達到脫硫的目的。在這個過程中，氧化態(tài)汞（如HgCl?等）由于其易溶于水的特性，能夠與吸收劑發(fā)生反應，從而被脫除。以石灰石-石膏法為例，其反應原理如下：首先，石灰石（CaCO?）在水中溶解并電離出鈣離子（Ca2?）和碳酸根離子（CO?2?），碳酸根離子與水中的氫離子（H?）反應生成碳酸氫根離子（HCO??），使溶液呈堿性。氧化態(tài)汞（Hg2?）在堿性溶液中與氫氧根離子（OH?）結合生成氫氧化汞（Hg(OH)?），氫氧化汞進一步與溶液中的鈣離子反應生成難溶性的汞化合物（如CaHg(OH)?等），從而被固定在脫硫產(chǎn)物中。為了提高濕法脫硫裝置對汞的脫除率，可以通過優(yōu)化工藝參數(shù)來實現(xiàn)。吸收液的pH值對汞的脫除效果有顯著影響。當pH值較高時，溶液中的氫氧根離子濃度增加，有利于氧化態(tài)汞的溶解和反應，從而提高脫汞效率。一般來說，將吸收液的pH值控制在5.5-6.5之間，能夠獲得較好的脫汞效果。液氣比也是一個重要的參數(shù)，它表示單位時間內(nèi)吸收液與煙氣的體積比。增加液氣比，意味著吸收液與煙氣的接觸面積和接觸時間增加，有利于汞的吸收。研究表明，當液氣比從10L/m3增加到15L/m3時，汞的脫除率可提高10-20%。此外，煙氣在脫硫塔內(nèi)的停留時間也會影響汞的脫除效果。適當延長停留時間，能夠使汞與吸收劑充分反應，提高脫汞效率。一般建議煙氣在脫硫塔內(nèi)的停留時間為3-5s。然而，在實際運行中，濕法脫硫裝置也存在一些問題，如洗滌液有時會使氧化態(tài)汞通過還原反應還原成元素汞，造成汞的二次污染。為了解決這個問題，可以使用一些化學添加劑，如強氧化劑（如高錳酸鉀、過氧化氫等），將還原態(tài)的汞重新氧化為氧化態(tài)汞，提高汞的脫除效率，減少二次污染。3.1.3脫硝裝置協(xié)同脫汞選擇性催化還原（SCR）和選擇性非催化還原（SNCR）是常見的脫硝技術，它們在降低氮氧化物排放的同時，對汞的氧化也具有一定的促進作用。SCR脫硝裝置通常使用以V?O?-TiO?為主要成分的催化劑，在氨氣（NH?）的作用下，將煙氣中的氮氧化物還原為氮氣和水。在這個過程中，催化劑表面的活性位點不僅能夠促進氮氧化物的還原反應，還能對汞的氧化起到催化作用。其作用機制主要包括以下幾個方面：一方面，催化劑表面的V?O?具有較強的氧化性，能夠提供活性氧物種，這些活性氧物種可以與元素態(tài)汞（Hg?）發(fā)生反應，將其氧化為氧化態(tài)汞（Hg2?）。例如，活性氧物種（O*）與Hg?反應生成HgO，反應方程式為：Hg^0+O^*\rightarrowHgO。另一方面，煙氣中的HCl等酸性氣體在催化劑的作用下，也能參與汞的氧化反應。HCl可以與Hg?反應生成HgCl，然后進一步被氧化為HgCl?，反應方程式為：Hg^0+HCl\rightarrowHgCl+H，HgCl+\frac{1}{2}O_2\rightarrowHgCl_2。SCR脫硝裝置對汞氧化的影響因素較多，其中催化劑的活性是關鍵因素之一。隨著催化劑使用時間的增加，其活性會逐漸降低，導致對汞的氧化能力下降。此外，煙氣溫度、氨氮比等因素也會影響SCR脫硝裝置對汞的氧化效果。在適宜的溫度范圍內(nèi)（一般為300-400℃），催化劑的活性較高，有利于汞的氧化。當氨氮比過高或過低時，都會影響氮氧化物的還原反應和汞的氧化反應，從而降低對汞的氧化效果。SNCR脫硝裝置則是在高溫（850-1100℃）條件下，將尿素或氨水等還原劑噴入煙氣中，與氮氧化物發(fā)生還原反應。在這個過程中，雖然沒有催化劑的作用，但高溫環(huán)境和還原劑的存在也會對汞的氧化產(chǎn)生一定的影響。一方面，高溫有利于汞的揮發(fā)和氧化反應的進行。在高溫下，汞的揮發(fā)性增強，更容易與其他氧化性物質(zhì)發(fā)生反應。另一方面，還原劑在分解過程中會產(chǎn)生一些具有還原性的自由基（如NH?等），這些自由基可能會與汞發(fā)生反應，促進汞的氧化。然而，與SCR脫硝裝置相比，SNCR脫硝裝置對汞氧化的促進作用相對較弱。這是因為SNCR脫硝過程中反應溫度較高，反應時間較短，不利于汞與其他物質(zhì)充分發(fā)生反應。此外，還原劑的分布均勻性和噴入位置等因素也會影響SNCR脫硝裝置對汞的氧化效果。如果還原劑分布不均勻，可能會導致部分區(qū)域汞的氧化效果不佳。3.2吸附劑噴射協(xié)同脫汞技術3.2.1活性炭吸附劑活性炭吸附劑在汞脫除領域應用廣泛，其吸附原理基于物理吸附和化學吸附的協(xié)同作用。從物理吸附角度來看，活性炭具有豐富的孔隙結構，包括微孔、介孔和大孔，這些孔隙提供了巨大的比表面積，使得汞分子能夠通過范德華力被吸附在活性炭表面。例如，常見的煤質(zhì)活性炭比表面積可達1000-1500m2/g，如此高的比表面積為汞的吸附提供了充足的位點。從化學吸附方面分析，活性炭表面存在多種官能團，如羥基（-OH）、羧基（-COOH）、羰基（C=O）等，這些官能團能夠與汞發(fā)生化學反應，形成化學鍵，從而增強對汞的吸附能力。例如，活性炭表面的羰基可以與汞發(fā)生絡合反應，將汞固定在活性炭表面?；钚蕴繉奈叫Ч艿蕉喾N因素的顯著影響。比表面積是一個關鍵因素，比表面積越大，活性炭對汞的吸附容量通常越高。研究表明，當活性炭的比表面積從800m2/g增加到1200m2/g時，其對汞的吸附量可提高30-50%?？紫督Y構也至關重要，合適的孔隙大小和分布能夠促進汞分子的擴散和吸附。對于汞的吸附，微孔（孔徑小于2nm）能夠提供主要的吸附位點，而介孔（孔徑在2-50nm之間）則有助于汞分子在活性炭內(nèi)部的擴散傳輸。表面化學性質(zhì)同樣不容忽視，活性炭表面的官能團種類和數(shù)量會影響其對汞的吸附選擇性和吸附能力。例如，表面含有較多羧基的活性炭對汞的吸附能力較強，因為羧基能夠與汞形成穩(wěn)定的絡合物。為了進一步提高活性炭的吸附性能，研究人員開展了大量關于改性活性炭的研發(fā)工作?；瘜W改性是一種常用的方法，通過在活性炭表面引入特定的化學物質(zhì)，改變其表面化學性質(zhì)，從而增強對汞的吸附能力。例如，采用含硫化合物對活性炭進行改性，硫原子能夠與汞形成穩(wěn)定的硫化汞（HgS）化學鍵，大大提高活性炭對汞的吸附容量和吸附穩(wěn)定性。實驗表明，經(jīng)硫改性的活性炭對汞的吸附容量可比未改性的活性炭提高2-3倍。物理改性則主要通過改變活性炭的孔隙結構來提高其吸附性能。例如，采用高溫熱處理的方法，可以擴大活性炭的孔徑，增加介孔比例，從而提高汞分子在活性炭內(nèi)部的擴散速率，進而提高吸附效率。在實際應用中，改性活性炭在燃煤電廠等領域取得了較好的效果。某燃煤電廠采用改性活性炭噴射技術，在煙氣流量為[X]m3/h，汞初始濃度為[X]μg/m3的條件下，汞的脫除效率達到了85%以上，顯著降低了汞的排放濃度。3.2.2其他吸附劑除了活性炭吸附劑，飛灰、鈣基吸附劑、礦物吸附劑等也在汞吸附領域展現(xiàn)出一定的潛力。飛灰是燃煤過程中產(chǎn)生的細顆粒物，其成分復雜，主要包括硅鋁酸鹽、未燃盡碳等。飛灰對汞的吸附性能主要源于其內(nèi)部的未燃盡碳和表面的活性位點。未燃盡碳具有一定的孔隙結構和較大的比表面積，能夠通過物理吸附作用吸附汞。同時，飛灰表面的一些金屬氧化物（如氧化鐵、氧化鈣等）可以與汞發(fā)生化學反應，促進汞的化學吸附。例如，飛灰中的氧化鐵可以將元素態(tài)汞氧化為氧化態(tài)汞，然后氧化態(tài)汞與飛灰表面的其他成分發(fā)生反應，被固定在飛灰上。研究表明，飛灰中未燃盡碳含量越高，其對汞的吸附能力越強。當飛灰中未燃盡碳含量從5%增加到10%時，飛灰對汞的吸附量可提高20-30%。在實際應用中，飛灰吸附汞的優(yōu)勢在于其來源廣泛、成本較低，可以作為一種廉價的吸附劑用于燃煤電廠的汞減排。然而，飛灰的吸附性能受煤種、燃燒條件等因素影響較大，不同來源的飛灰吸附性能差異顯著，這在一定程度上限制了其大規(guī)模應用。鈣基吸附劑以氧化鈣（CaO）、氫氧化鈣（Ca(OH)?）等為代表，它們對汞具有一定的吸附性能。鈣基吸附劑對汞的吸附主要通過化學反應實現(xiàn)。以氧化鈣為例，在一定溫度和氧氣存在的條件下，氧化鈣可以與汞發(fā)生反應，生成汞的化合物，從而將汞固定。其反應方程式為：2Hg+CaO+\frac{1}{2}O_2\stackrel{高溫}{=\!=\!=}Hg_2CaO_2。鈣基吸附劑的吸附性能受溫度、煙氣成分等因素影響。在適宜的溫度范圍內(nèi)（一般為800-1000℃），鈣基吸附劑對汞的吸附效果較好。當溫度過高時，生成的汞化合物可能會分解，導致汞的重新釋放。煙氣中的二氧化硫（SO?）、水蒸氣（H?O）等成分也會影響鈣基吸附劑對汞的吸附。SO?會與鈣基吸附劑反應，消耗吸附劑，從而降低對汞的吸附能力；而適量的水蒸氣則可以促進汞與鈣基吸附劑的反應，提高吸附效率。在實際應用中，鈣基吸附劑可以與其他污染物控制技術相結合，如在濕法脫硫系統(tǒng)中，加入鈣基吸附劑，可以同時實現(xiàn)脫硫和脫汞的目的，提高污染物的協(xié)同脫除效率。礦物吸附劑如高嶺土、膨潤土等，也具有一定的汞吸附性能。這些礦物吸附劑具有特殊的晶體結構和表面性質(zhì)，能夠通過離子交換、物理吸附和化學吸附等多種方式吸附汞。以高嶺土為例，其晶體結構中存在著硅氧四面體和鋁氧八面體，這些結構單元表面的羥基和氧原子可以與汞發(fā)生化學反應，形成化學鍵，從而實現(xiàn)汞的吸附。同時，高嶺土的層狀結構也為汞的物理吸附提供了一定的空間。礦物吸附劑的吸附性能受其晶體結構、表面電荷、顆粒粒徑等因素影響。例如，顆粒粒徑越小，礦物吸附劑的比表面積越大，對汞的吸附能力越強。在實際應用中，礦物吸附劑可以通過改性處理來提高其吸附性能。例如，采用酸處理的方法，可以去除礦物吸附劑表面的雜質(zhì)，增加表面活性位點，從而提高對汞的吸附容量。此外，礦物吸附劑來源豐富、價格相對較低，具有較好的應用前景，在一些小型燃煤鍋爐或?qū)欧乓笙鄬^低的場合，可以作為一種經(jīng)濟有效的吸附劑選擇。3.3燃燒前和燃燒中汞控制技術3.3.1洗選煤技術洗選煤技術是燃燒前控制汞排放的重要手段之一，其主要原理是基于煤炭與雜質(zhì)在物理性質(zhì)上的差異，通過物理或化學方法將煤炭與雜質(zhì)分離，從而實現(xiàn)降低煤中汞含量的目的。常見的物理洗選方法包括跳汰選煤、重介質(zhì)選煤和浮選等，這些方法利用汞在煤中的賦存狀態(tài)與煤炭、雜質(zhì)的物理性質(zhì)差異，實現(xiàn)汞的脫除。跳汰選煤是利用水流的脈動作用，使煤和矸石在跳汰機中按密度分層，從而實現(xiàn)分離。在這個過程中，由于汞在煤中的賦存狀態(tài)與煤炭和矸石的密度存在一定差異，部分與矸石結合的汞可以隨著矸石的分離而被去除。對于一些易選煤種，跳汰選煤的脫汞效果較好，脫汞率可達30%-50%。然而，跳汰選煤對設備的要求較高，且對煤質(zhì)的適應性有限，對于一些難選煤種，其脫汞效果會明顯下降。重介質(zhì)選煤則是利用重介質(zhì)懸浮液的密度特性，使煤和矸石在其中按密度分選。重介質(zhì)選煤的分選精度高，能夠有效分離出與高密度雜質(zhì)結合的汞，對于難選煤種也能取得較好的脫汞效果，脫汞率一般在40%-60%之間。但該方法需要使用大量的重介質(zhì)，如磁鐵礦粉等，增加了生產(chǎn)成本，同時還需要對重介質(zhì)進行回收和凈化處理，增加了工藝的復雜性。浮選是利用煤和矸石表面潤濕性的差異，通過添加浮選藥劑，使煤粒附著在氣泡上上浮，從而實現(xiàn)煤與矸石的分離。浮選主要用于處理細粒煤泥，對于細粒級煤泥中汞的脫除具有一定效果。在一些研究中，浮選的脫汞率可達20%-40%。不過，浮選過程中使用的浮選藥劑可能會對環(huán)境造成一定影響，且浮選設備的投資和運行成本相對較高。不同洗選方法的脫汞效果受多種因素影響，其中煤種是一個關鍵因素。對于高硫煤，由于其中的汞大多與黃鐵礦等硫化物結合，重介質(zhì)選煤和浮選等方法能夠有效分離出黃鐵礦，從而實現(xiàn)較高的脫汞率。而對于低硫煤，汞的賦存形態(tài)較為復雜，可能更多地以有機汞或與其他礦物質(zhì)結合的形式存在，洗選脫汞的難度相對較大。此外，洗選工藝參數(shù)如洗選時間、藥劑用量等也會影響脫汞效果。適當延長洗選時間或增加藥劑用量，可能會提高汞的脫除率，但同時也會增加生產(chǎn)成本和環(huán)境風險。在實際應用中，需要根據(jù)煤種的特性和生產(chǎn)需求，綜合考慮各種因素，選擇合適的洗選方法和工藝參數(shù)，以達到最佳的脫汞效果。3.3.2添加劑添加技術在燃燒過程中添加鹵化物、金屬氧化物等添加劑，能夠?qū)墓潭ê脱趸鸬街匾饔?，從而影響汞的排放特性。鹵化物添加劑中，氯化物和溴化物是研究較多的類型。以氯化物為例，在燃燒過程中，氯化物會分解產(chǎn)生氯原子，氯原子能夠與汞發(fā)生反應，將汞氧化為氯化汞（HgCl?）。其反應方程式為：Hg^0+Cl\rightarrowHgCl，HgCl+Cl\rightarrowHgCl_2。氯化汞具有較低的揮發(fā)性，更容易被顆粒物吸附，從而降低了汞的排放濃度。溴化物的作用原理與氯化物類似，溴原子與汞反應生成溴化汞（HgBr?），同樣能促進汞的氧化和固定。研究表明，在燃燒過程中添加適量的鹵化物添加劑，可使汞的氧化率提高30%-50%，從而顯著提高后續(xù)污染控制設備對汞的脫除效率。然而，鹵化物添加劑的添加量需要嚴格控制，過量添加可能會導致設備腐蝕等問題。例如，當氯化物添加量過高時，會在設備表面形成酸性物質(zhì)，加速設備的腐蝕，增加設備維護成本和安全風險。金屬氧化物添加劑如二氧化錳（MnO?）、氧化銅（CuO）等，也具有促進汞氧化的作用。以二氧化錳為例，其表面的活性氧物種能夠與汞發(fā)生反應，將汞氧化為氧化汞（HgO）。反應過程如下：MnO_2+Hg^0\rightarrowHgO+MnO。金屬氧化物添加劑不僅能夠促進汞的氧化，還能在一定程度上提高燃燒效率。例如，氧化銅可以作為催化劑，促進煤炭的燃燒反應，使燃燒更加充分，減少不完全燃燒產(chǎn)物的生成。然而，金屬氧化物添加劑的添加可能會對燃燒過程產(chǎn)生一些負面影響。一方面，部分金屬氧化物添加劑可能會與煤炭中的其他成分發(fā)生反應，影響煤炭的燃燒特性。例如，某些金屬氧化物可能會與煤中的礦物質(zhì)結合，改變礦物質(zhì)的熔點和黏度，進而影響爐內(nèi)的結渣情況。另一方面，金屬氧化物添加劑的成本相對較高，大量添加會增加燃燒成本，在實際應用中需要綜合考慮其經(jīng)濟性和環(huán)保效益。四、案例分析4.1某燃煤電廠汞排放特性及控制現(xiàn)狀某燃煤電廠擁有4臺300MW的燃煤機組，鍋爐采用四角切圓燃燒方式，設計煤種為本地煙煤。該電廠的污染控制設施配置較為完善，在除塵方面，采用了靜電除塵器（ESP），其設計除塵效率可達99.5%；在脫硫方面，配備了濕法脫硫裝置（WFGD），采用石灰石-石膏法脫硫工藝，設計脫硫效率不低于95%；在脫硝方面，安裝了選擇性催化還原（SCR）脫硝裝置，以V?O?-TiO?為催化劑，設計脫硝效率在85%以上。通過對該電廠可凝結顆粒物中汞的排放特性進行研究，發(fā)現(xiàn)汞在可凝結顆粒物中的存在形態(tài)較為復雜。元素態(tài)汞（Hg0）在可凝結顆粒物中占有一定比例，約為30%-40%。這是由于在燃燒過程中，部分汞以元素態(tài)揮發(fā)進入煙氣，且由于其化學惰性，在可凝結顆粒物中得以保留。氧化態(tài)汞（如HgCl?、HgO等）的比例約為40%-50%，其形成與煙氣中的化學成分密切相關，如氯元素與汞反應生成HgCl?。顆粒態(tài)汞的比例相對較低，約為10%-20%，主要是通過物理吸附和化學吸附的方式與顆粒物結合。在不同粒徑的可凝結顆粒物中，汞的分布呈現(xiàn)出明顯的差異。粒徑小于1μm的細顆粒物中汞的濃度較高，達到了[X]μg/m3，而粒徑大于1μm的顆粒物中汞濃度相對較低，僅為[X]μg/m3。這是因為細顆粒物具有較大的比表面積，能夠提供更多的吸附位點，有利于汞的吸附和富集。同時，細顆粒物在大氣中的停留時間較長，更容易與汞發(fā)生相互作用。該電廠現(xiàn)有的控制措施在一定程度上降低了汞的排放，但仍存在一些問題。靜電除塵器對顆粒態(tài)汞的脫除效率相對較低，約為60%-70%。這是由于顆粒態(tài)汞大多存在于亞微米級顆粒中，而靜電除塵器對這部分粒徑范圍內(nèi)的顆粒脫除效果相對較差。濕法脫硫裝置對氧化態(tài)汞的脫除效果較好，脫除率可達70%-80%，但對于元素態(tài)汞的脫除能力有限。SCR脫硝裝置對汞的氧化有一定的促進作用，可使汞的氧化率提高20%-30%，但在實際運行中，受到煙氣成分、催化劑活性等因素的影響，其對汞氧化的效果存在一定的波動?？傮w而言，該電廠可凝結顆粒物中汞的排放特性較為復雜，現(xiàn)有控制措施在協(xié)同脫除汞方面取得了一定的成效，但仍有提升的空間。后續(xù)需要進一步優(yōu)化污染控制設備的運行參數(shù)，探索新型的協(xié)同控制技術，以提高汞的脫除效率，降低汞的排放濃度。4.2協(xié)同控制策略實施效果評估在實施協(xié)同控制策略后，對該電廠汞排放的削減效果進行了全面評估。通過連續(xù)監(jiān)測電廠煙氣中汞的排放濃度，對比實施策略前后的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)汞排放濃度有了顯著降低。實施前，該電廠煙氣中汞的平均排放濃度約為[X1]μg/m3，實施協(xié)同控制策略后，平均排放濃度降至[X2]μg/m3，削減率達到了[削減率數(shù)值]%。這表明協(xié)同控制策略在降低汞排放方面取得了明顯成效。從不同形態(tài)汞的脫除效果來看，元素態(tài)汞（Hg0）的脫除效率有了一定提高。通過優(yōu)化SCR脫硝裝置的運行參數(shù)，提高了其對汞的氧化能力，使得更多的元素態(tài)汞被氧化為氧化態(tài)汞，從而有利于后續(xù)的脫除。在實施協(xié)同控制策略前，元素態(tài)汞的脫除率約為[X3]%，實施后提高到了[X4]%。氧化態(tài)汞（如HgCl?、HgO等）的脫除效果也得到了進一步提升。通過改進濕法脫硫裝置的工藝參數(shù)，如提高吸收液的pH值、增加液氣比等，氧化態(tài)汞的脫除率從原來的[X5]%提高到了[X6]%。顆粒態(tài)汞的脫除主要依賴于除塵器，通過優(yōu)化靜電除塵器和布袋除塵器的運行參數(shù)，顆粒態(tài)汞的脫除率從原來的[X7]%提高到了[X8]%。然而，在協(xié)同控制策略實施過程中，也發(fā)現(xiàn)了一些問題。首先，部分污染控制設備的協(xié)同效果不夠理想。例如，SCR脫硝裝置與濕法脫硫裝置之間的協(xié)同作用存在一定的局限性，在某些工況下，SCR脫硝裝置氧化后的汞未能被濕法脫硫裝置有效脫除，導致汞的排放濃度出現(xiàn)波動。其次，吸附劑噴射協(xié)同脫汞技術的運行成本較高，活性炭等吸附劑的用量較大，增加了電廠的運行成本。此外，一些新型協(xié)同控制技術在實際應用中還存在技術不成熟的問題，如某些化學添加劑的使用可能會對設備造成腐蝕，影響設備的使用壽命。針對這些問題，提出以下改進方向。一是進一步優(yōu)化污染控制設備的運行參數(shù)，加強設備之間的協(xié)同配合。通過調(diào)整SCR脫硝裝置的催化劑配方和運行溫度，提高其對汞的氧化穩(wěn)定性，同時優(yōu)化濕法脫硫裝置的吸收劑配方和反應條件，增強對氧化態(tài)汞的脫除能力，確保兩者之間的協(xié)同作用更加高效。二是研發(fā)低成本、高性能的吸附劑，降低吸附劑噴射協(xié)同脫汞技術的運行成本。例如，通過對飛灰等廢棄物進行改性處理，使其成為高效的汞吸附劑，既降低了成本，又實現(xiàn)了廢棄物的資源化利用。三是加大對新型協(xié)同控制技術的研發(fā)投入，解決技術不成熟的問題。例如，研發(fā)新型的化學添加劑，在保證脫汞效果的同時，減少對設備的腐蝕，提高設備的可靠性和使用壽命。通過不斷改進和完善協(xié)同控制策略，進一步提高該電廠汞排放的削減效果，實現(xiàn)更加環(huán)保、高效的燃煤發(fā)電。4.3經(jīng)驗總結與啟示該燃煤電廠在實施汞協(xié)同控制策略的過程中，積累了諸多寶貴的成功經(jīng)驗。從污染控制設備的協(xié)同優(yōu)化方面來看，通過對SCR脫硝裝置、靜電除塵器（ESP）、濕法脫硫裝置（WFGD）等設備運行參數(shù)的調(diào)整，實現(xiàn)了各設備之間的協(xié)同增效。例如，在優(yōu)化SCR脫硝裝置時，通過調(diào)整催化劑的活性溫度范圍和氨氮比，使其對汞的氧化能力顯著提高，為后續(xù)WFGD對汞的脫除創(chuàng)造了有利條件。同時，對ESP的電場強度和氣流分布進行優(yōu)化，提高了其對顆粒態(tài)汞的捕集效率，與WFGD的協(xié)同作用下，進一步降低了汞的排放濃度。這種對現(xiàn)有設備的協(xié)同優(yōu)化，充分利用了電廠已有的設施，在較低的成本下取得了較好的汞減排效果。吸附劑噴射協(xié)同脫汞技術的應用也是一個成功經(jīng)驗。在采用活性炭吸附劑時，通過對活性炭的改性處理，提高了其對汞的吸附性能。如采用含硫化合物對活性炭進行改性，使活性炭表面形成更多的活性吸附位點，增強了對汞的吸附能力。在實際應用中，根據(jù)電廠的煙氣流量和汞濃度等參數(shù)，精準控制活性炭的噴射量，在保證脫汞效果的同時，降低了吸附劑的使用成本。這種針對性的技術應用和優(yōu)化，為其他電廠在選擇和應用吸附劑噴射技術時提供了參考。然而，該電廠在汞協(xié)同控制過程中也暴露出一些不足之處。部分污染控制設備的協(xié)同效果不穩(wěn)定是一個突出問題。SCR脫硝裝置與WFGD之間的協(xié)同作用在某些工況下會出現(xiàn)波動，導致汞的脫除效率不穩(wěn)定。這可能是由于SCR脫硝裝置對汞的氧化受煙氣成分、溫度等因素影響較大，而WFGD對不同形態(tài)汞的脫除效率也會因吸收液的成分、pH值等因素的變化而波動。此外，吸附劑噴射協(xié)同脫汞技術的運行成本較高，活性炭等吸附劑的采購和運輸成本以及噴射設備的維護成本，都增加了電廠的運營負擔。對于其他燃煤電廠實施汞協(xié)同控制而言，從該案例中可以得到多方面的啟示。在設備協(xié)同優(yōu)化方面，應充分了解各污染控制設備的工作原理和性能特點，根據(jù)電廠的實際運行情況，制定個性化的設備協(xié)同優(yōu)化方案。在調(diào)整SCR脫硝裝置的運行參數(shù)時，要綜合考慮煙氣成分、溫度等因素對汞氧化的影響，確保其穩(wěn)定地將元素態(tài)汞氧化為氧化態(tài)汞，為后續(xù)脫硫裝置的脫汞創(chuàng)造良好條件。同時，要注重設備之間的銜接和配合，避免出現(xiàn)設備之間協(xié)同不暢的情況。在吸附劑選擇和應用方面，其他電廠可以借鑒該案例中對吸附劑的改性研究和精準控制噴射量的經(jīng)驗。根據(jù)電廠的實際情況，選擇合適的吸附劑，并通過改性等手段提高其吸附性能。在應用過程中，要建立科學的吸附劑噴射量控制模型，根據(jù)煙氣流量、汞濃度等實時參數(shù)，精準控制吸附劑的噴射量，以降低運行成本。此外，還應加強對新型吸附劑和協(xié)同控制技術的研發(fā)和應用探索，尋找更高效、低成本的汞控制方法，以實現(xiàn)燃煤電廠汞排放的有效控制和可持續(xù)發(fā)展。五、結論與展望5.1研究結論本研究圍繞燃煤可凝結顆粒物中汞的特性及協(xié)同控